窒化ケイ素セラミックスの超薄板化に成功し、高い絶縁耐性を実証―次世代の電気自動車などのパワーモジュールの小型化に期待：産業技術総合研究所
(2021年11月25日発表)
（国）産業技術総合研究所の中島佑樹 研究員と福島学 研究グループ長らは11月25日、窒化ケイ素を厚さ32μm（マイクロメートル、1μmは100万分の1m）の薄板基板として試作することに成功したと発表した。次世代の電気自動車などの絶縁基板として十分耐え、放熱性能も格段に高くなったことを実証した。大電力を扱う電気自動車などの移動体のモーターの絶縁基板には、高い放熱性能と粘り強い靭性(じんせい)を併せ持ったものが要求される。試作品は放熱性が市販基板の10倍程度に向上したため、高出力で小型のパワーモジュールの実現に役立つとみている。
脱炭素社会に向けてパワーデバイス（電力変換や制御用の半導体）が一躍注目されている。電気自動車や電気鉄道の高性能化、太陽光発電や風力発電などの電力変換・制御装置、ビルの空調冷熱システムなどに使われる。この時に電力変換・制御で発生する高熱をいかに効率的に放熱できるかが鍵となる。
放熱基板には小電力用の家電などに安価な樹脂基板が使われているが、熱伝導性が低く放熱性や耐熱性に劣るためパワーモジュールには向かなかった。これに対してセラミックス系のアルミナ（Al2O3）、窒化アルミニウム（AIN）、窒化ケイ素（Si3N4）系材料が大電力向けに採用されている。
放熱性の向上には基板の薄板化が必要だが、反面、薄くすることによって強度や粘り強さが弱まるとのジレンマがある。
研究グループは、高い熱伝導性をもち破壊力に対しても粘り強い窒化ケイ素に注目し、いかに薄板化し同時に絶縁耐性をいかに高めるかの研究を深めてきた。
試作した基板を微細に観察すると、粒子中に大きな柱状の粒子が分散した複合的な組織をしている。この柱状粒子が成長した独特の組織によって高い靭性が生まれたとみている。材料の形を変えることも可能で、半透明で光を通す性質も併せ持っていた。
32μmまで削った試作品を計測したところ、約2.8kVの高い電圧にも耐えられる絶縁性を実証した。市販の窒化ケイ素セラミックス基板の厚さ300μmに比べ、試作品は約10分の1に薄くできた。放熱性は厚みに反比例するため市販品より10倍程度向上したとみている。これは次世代電気自動車の電気を流した状態でかかる電圧850Vよりも十分に高い値だった。
今後は、絶縁耐性と薄板化との関係や、材料の微細欠陥の影響を系統的に調べ、これまで明らかにされてなかったセラミックス基板の絶縁が破壊されるメカニズムを解明するなどで、より高い絶縁耐性を持った薄板の開発を目指すことにしている。
